三維數(shù)字化技術(shù)在輸電線路工程機(jī)械化施工中的應(yīng)用研究

李基隆，胡道玖，何春暉，王 龍，陳相家，王 龍

（1.上海電力大學(xué)，上海 201306；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

隨著信息化技術(shù)越來越多地應(yīng)用于各行業(yè)，國內(nèi)外已通過BIM（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術(shù)來促進(jìn)傳統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的工程建設(shè)及管理的變革，且建立了較為完善的控制體系。由于輸電線路工程的特殊性，三維數(shù)字化技術(shù)在輸電線路工程中的推廣應(yīng)用起步較晚。因三維數(shù)字化技術(shù)具有信息模型直觀、便捷、易于利用和傳遞的優(yōu)勢，國內(nèi)各電力設(shè)計院已在三維數(shù)字化技術(shù)方面開展應(yīng)用和研究[1-2]。

隨著電力企業(yè)精細(xì)化管理水平和設(shè)計精度要求不斷提高，電網(wǎng)建設(shè)難度加大，在輸電線路施工階段遇到更多新困難，僅采用傳統(tǒng)機(jī)械化施工已無法有效解決[3]。本文從施工器械進(jìn)場、機(jī)械作業(yè)、進(jìn)度統(tǒng)籌和造價控制等方面對三維數(shù)字化技術(shù)在輸電線路工程機(jī)械化施工中的應(yīng)用進(jìn)行分析，將采用三維數(shù)字化技術(shù)的機(jī)械化施工模式與傳統(tǒng)機(jī)械化施工模式進(jìn)行對比，并對輸電線路三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 輸電線路三維數(shù)字化技術(shù)

輸電線路三維數(shù)字化技術(shù)的關(guān)鍵在于大數(shù)據(jù)[4]，以高精度航測影像、數(shù)字高程模型、基礎(chǔ)地理等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[5]，基于BIM技術(shù)建立三維精細(xì)化模型。利用航測技術(shù)、三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和信息集成技術(shù)[6]，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，以三維數(shù)字化的形式，整合輸電線路走廊的地形地貌信息和建設(shè)過程數(shù)據(jù)，組建真實的三維現(xiàn)場環(huán)境[7]。

2 機(jī)械化施工各階段的新需求

隨著可持續(xù)發(fā)展的推行，環(huán)境保護(hù)越來越被重視，輸電線路工程施工面臨更多新的困難和需求。

2.1 器械進(jìn)場

輸電線路工程大部分位于遠(yuǎn)離人口密集區(qū)的田地和山林中，工程中不同塔位的交通情況各不相同。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，以往從交通運(yùn)輸條件理想的位置修筑較長線路直達(dá)塔位的做法已不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。目前在器械進(jìn)場策劃階段，施工人員熟悉各塔位附近的交通狀況以及各地政策要求的時間越來越長，與各級部門對接后確定最終進(jìn)場道路方案所耗時間較長。

2.2 機(jī)械作業(yè)

隨著施工隊伍人員結(jié)構(gòu)的調(diào)整，一線工作崗位多為新人，其缺少對輸電線路基礎(chǔ)和桿塔組裝、導(dǎo)地線架設(shè)等方面的經(jīng)驗，這就造成了各階段施工前安全點(diǎn)及困難點(diǎn)講解、器械選擇及操作的時間成本增加，現(xiàn)場返工及后期返工的次數(shù)也有所增加，對工程里程碑計劃及工程結(jié)算有較大影響。

2.3 進(jìn)度統(tǒng)籌

目前電力工程項目施工市場化程度不如其他建筑工程項目。電網(wǎng)公司的輸電線路工程項目仍然由各省電力公司所屬的送變電工程公司負(fù)責(zé)施工，施工單位仍以甘特圖、橫道圖、里程碑計劃等傳統(tǒng)方法掌控工程進(jìn)度。輸電線路工程由于參建單位較多，不同參建單位采用的方法不同，其各階段制定計劃的人員仍依靠經(jīng)驗進(jìn)行大致預(yù)估，這就導(dǎo)致眾多進(jìn)度控制閉合時常常出現(xiàn)“破網(wǎng)”問題。另外，遇到突發(fā)問題和設(shè)計問題時，會出現(xiàn)緩工、滯工的情況，無法有效進(jìn)行人員和器械的全局調(diào)動。

2.4 造價控制

輸電線路工程中各參建單位、分包隊伍采用多種方法進(jìn)行造價管理和控制。目前，施工圖預(yù)算、施工中各單項結(jié)算、設(shè)計變更及簽證、工程總結(jié)算等各階段都需要造價人員去計算工程量及清單。造價人員個人業(yè)務(wù)水平及工作習(xí)慣不同，對實際施工情況掌握不及時、不全面，因此對成本資金投入、人員和器械分配、材料采購儲備的安排等造價控制產(chǎn)生了較大的影響。

3 三維數(shù)字化技術(shù)在機(jī)械化施工中的應(yīng)用

3.1 器械進(jìn)場中的應(yīng)用

通過衛(wèi)星、航拍工具等獲取輸電線路走廊的影像、高程等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，與工程所在地對環(huán)保和文物的要求及政策紅線進(jìn)行匯總，形成工程的底圖數(shù)據(jù)。在進(jìn)行塔位樁位交底時一同復(fù)核，此底圖數(shù)據(jù)可真實、準(zhǔn)確反應(yīng)工程地理信息情況。

應(yīng)用此底圖數(shù)據(jù)可分析周邊路網(wǎng)情況，統(tǒng)籌優(yōu)化選擇運(yùn)輸?shù)缆罚M(jìn)行塔位進(jìn)場路徑規(guī)劃。塔位進(jìn)場路徑規(guī)劃疊加基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)后，材料站選址時可實時計算所選位置至所有塔位的交通距離。實地選址后，初選位置可在三維數(shù)字化系統(tǒng)中進(jìn)行對比，選出最優(yōu)方案。

此項工作以往是在塔位交樁后開展，通過三維數(shù)據(jù)平臺可提前獲取工程路徑基本信息，從而提前開展此項工作，減少工程開工準(zhǔn)備時間。目前設(shè)計階段已全面推廣三維數(shù)字化設(shè)計，在設(shè)計階段已匯總底圖數(shù)據(jù)，減少向設(shè)計平臺和施工平臺數(shù)據(jù)移交的工作時間。

3.2 機(jī)械作業(yè)中的應(yīng)用

1）器械選擇。根據(jù)每基桿塔的基礎(chǔ)形式、桿塔形式進(jìn)行施工作業(yè)面的模擬，快速統(tǒng)計所需作業(yè)區(qū)域、材料區(qū)域等，確定塔位征地賠償范圍。同時計算所需器械的參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)已建立的機(jī)械庫匹配合適的機(jī)械，輔助施工人員進(jìn)行全局器械選擇。

目前施工人員在進(jìn)行征地范圍計算時常以經(jīng)驗預(yù)估為主，存在征地較多而增加資金成本或者征地較少需重新協(xié)商而增加時間成本的情況。利用三維數(shù)據(jù)平臺可客觀、準(zhǔn)確地確定征地范圍邊界，減少人員手工計算帶來的誤差。

在器械選擇方面，三維數(shù)據(jù)平臺可推薦并統(tǒng)計全線施工器械，方便施工人員根據(jù)施工工期等要求安排施工器械進(jìn)、退場及施工順序。

2）模擬施工指導(dǎo)。應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)施工模擬時，可將BIM模型輸入到基礎(chǔ)校驗軟件中進(jìn)行整體、局部的穩(wěn)定性計算；對施工開挖、超載，降雨引起的地下水位上升等工況進(jìn)行計算，確保基坑安全。鐵塔組立及導(dǎo)地線架設(shè)階段安全施工方案的內(nèi)容直接影響輸電線路施工現(xiàn)場安全與質(zhì)量控制，應(yīng)用可視化模擬技術(shù)可對施工方案、安全技術(shù)措施的合理性進(jìn)行檢查，以優(yōu)化施工方案中的技術(shù)措施和安全措施。

施工單位可應(yīng)用三維數(shù)字化模型模擬施工前的碰撞檢查，例如金具試組裝、導(dǎo)線弧垂及風(fēng)偏校驗、跳線安全距離計算等。

設(shè)計單位往往通過技術(shù)交底、特別說明提出線路施工困難點(diǎn)和特別注意事項。經(jīng)施工項目部、分包隊伍、施工人員層層傳遞，單項施工作業(yè)人員無法全面了解注意事項，易造成現(xiàn)場返工、材料備料缺少等影響施工進(jìn)度的情況。利用三維數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行各階段施工流程的可視化演示，提前發(fā)現(xiàn)施工困難點(diǎn)和危險點(diǎn)，可有效減少施工風(fēng)險。

3.3 進(jìn)度統(tǒng)籌中的應(yīng)用

利用三維數(shù)字化模型可模擬得到各單項工程需要的時間，通過修改各項參數(shù)可反復(fù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，以確定合理的施工時間。通過統(tǒng)計各單項工程所需施工時間、施工器械和人員數(shù)量，結(jié)合工程總工期，統(tǒng)籌安排各單項工程施工順序，靈活調(diào)配施工器械及人員，合理安排施工器械和人員進(jìn)、退場，從而估算出最優(yōu)的計劃工期。

目前輸電線路工程施工工期由項目管理單位進(jìn)行預(yù)估，并制定里程碑計劃。此施工工期確定后一般不輕易更改，會出現(xiàn)由施工工期預(yù)估偏差造成的追趕工期的行為。利用三維數(shù)字模擬技術(shù)確定的施工工期則較為客觀，可避免人員預(yù)估導(dǎo)致的偏差。

3.4 造價控制中的應(yīng)用

應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)對各階段施工方案的工程量進(jìn)行計算，其計算結(jié)果比人工計算結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確，計算效率高。遇到突發(fā)情況需要設(shè)計變更和簽證時，還可應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)計算修改后的工程量并與原方案進(jìn)行對比，減少工程結(jié)算不準(zhǔn)確的風(fēng)險，可有效管控成本、降低工程造價。

4 三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用展望

基于三維數(shù)字化設(shè)計及施工平臺，應(yīng)用信息通信技術(shù)，將設(shè)計階段的地理信息數(shù)據(jù)庫、三維設(shè)計圖紙、設(shè)計交底等數(shù)據(jù)共享至施工階段，進(jìn)而由施工階段共享至運(yùn)檢階段，實現(xiàn)設(shè)計、施工、運(yùn)維檢修全過程的三維數(shù)據(jù)移交。此外，可將輸電線路導(dǎo)地線、絕緣子、金具、塔材等設(shè)備物資信息數(shù)字化，實現(xiàn)輸電線路設(shè)備物資的設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運(yùn)行管理全過程定位與管控。

5 結(jié)語

本文針對輸電線路傳統(tǒng)機(jī)械化施工所面臨的新需求，介紹了三維數(shù)字化技術(shù)的可視化、智能化和數(shù)字化特點(diǎn)，分析了三維數(shù)字化技術(shù)在輸電線路機(jī)械化施工中的應(yīng)用。三維數(shù)字化技術(shù)可進(jìn)一步向輸電線路施工、運(yùn)維檢修及物資部門進(jìn)行拓展應(yīng)用，實現(xiàn)輸電線路工程全過程的數(shù)字化管控，以提高管理和建設(shè)效率。